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中压变频电源的主流器件

提示:

中压变频电源一般要求输出电压为3.3、6、10kV,而现在生产的开关功率元件,开关频率高,损耗小的薪型元件,一般都是用IGBT、IGCT。以IGBT为例,元件最高耐压3.3kV,按变频电源设计要求,需要选择2个功率器件,即要求3倍额定电压,10kV的变频电源就要耐压为30kV的功率元件,而现在的IGBT最高耐压只有3.3kV,因此必须串联。

    中压变频电源一般要求输出电压为3.3610kV,而现在生产的开关功率元件,开关频率高,损耗小的薪型元件,一般都是用IGBTIGCT。以IGBT为例,元件最高耐压3.3kV,按变频电源设计要求,需要选择2个功率器件,即要求3倍额定电压,10kV的变频电源就要耐压为30kV的功率元件,而现在的IGBT最高耐压只有3.3kV,因此必须串联。因为各器件的动态电阻和极电容不同,而存在静态和动态均压的问题。如果采用与功率器件并联RRC的均压措施,会使电路复杂,损耗增加。同时,功率器件的串联对驱动电路的要求也大大提高,要尽量做到串联功率器件同时导通和关断,否则由于各功率器件开断时间不一,承受电压不均,会导致器件损坏甚至整个装置崩溃。保证每个功率器件同时承受一定耐压,但功率器件动作很快,动作速率可达20kH,在这样高的速率下要保证10个串联的功率器件同时开通或关断是不可能的,所以在世界上研究直接串变频电源遇到技术难点时,才出现用低压IGBT小变频电源单元串联多重化的方案。

    中压变频技术发展至今,其主回路拓扑结构是随着电力电子器件的创新开发而不断发展的,早期产品的SCR器件也随着电力电子器件的不断创新在中压变频领域已处于逐步淘汰的趋势。而GTO具有高电压、大电流的发展潜力,但驱动(关门)电路复杂,影响可靠性,J3结特性很软(耐压很低的P-N结),若GTO未处于导通状态就连续对G-K所在的J3结施加强的负门极脉冲是很危险的,因此在应用中GTO状态识别和逻辑保护是十分重要的。

    目前,在大电流、低损耗的应用中,晶闸管类器件占主导地位。可关断晶闸管GTO通过门极电流不定期控制导通和关断,高阻断电压、大通态电流是它突出的特点。但是,GTO关断时间过长(几十微秒),并且关断不均匀,易产生局部过热现象,造成器件失效;另外,电荷存储时间差异过大,使GTO在串并联应用时需要复杂的缓冲电路,体积庞大。

    内部MOS结构可关断的GTO,因工艺复杂,目前未能实现大功率化,而为实现可关断MOS结构的GTO,开发研制出把MOS结构置于GTO外面来协助关断的IGCTIGCT适用于大电流(1000A以上)、低频率(1000Hz以下)的应用,由于其从研制生产到应用的一系列技术受到专利的保护,在推广应用和器件竞争中未能完全取代GTOIGBT作为第三代电力电子器件,因其工作电压较低,在多电平级联方式变频电源中有其广阔的发展前景。IGCT作为主回路功率器件的中压变频电源具有改善输出电流波形,减少谐波对电网的污染及减少系统和电动机的电应力等特性。

    而集GTOIGBT优点于一身的新型门极换相晶闸管IGCT,单只耐压6kV以上,开关频率10kHz,关断时间小于3μs。它具有以下特点:

    (1)续流二极管集成在同一芯片上。

    (2)不需要缓冲电路。

    (3)门控电路与功率元件集成一体。因此,IGCT的功率密度大,可靠性极高,非常适用于结构上不采用串联方式的高压变频调速装置。

    新型IEGT器件是一种“电子加强注入型绝缘栅极晶体管”,IEGT是英文Injection Enhanced Gate Transistor的缩写名称,意为促进电子注入栅极晶体管。它融合了IGBTGTO器件的优点,维持了IGBT的开关特性,又有GTO的低通态电压值。它是在沟槽型IGBT基础上,把部分沟道同P区相联使发射极区注入增强,使得IEGT具有高电压大电流和高的工作频率,使其更适合于高电压大功率、高频率的变频电源。这种新型器件既能保持IGBT的优良关断特性,又使高压情况下通态电压降低。

    目前,应用在中压大功率变频领域的电力电子器件,以形成GTOIGCTIGBTIEGT相互竞争不断创新的技术市场,在大功率( 1000kW)、低频率(1000Hz)的传动领域,如电力牵引机车领域,GTOIGCT有着独特的优势,而在高载波频率、高斩波频率下,IGBTIEGT有着广阔的发展前景,在现阶段中压大功率变频电源领域将由这4种电力电子器件构成其主流器件。

    绝缘栅双极晶体管IGBT具有快速的开关性能,工作频率可达20kHz,关断过程均匀,不需要缓冲电路,采用同步门驱动器。但其单管面积有限(为2.6cm²),为了提高导通电流和工作电压,也只能将它串联,做成模块使用,从而增加了设计制造的难度,变频电源元件数量增加,可靠性降低。高压IGBT耐压可达3~4.5kV,串联数量相对少一些,但其导电损耗高。


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